岳 敏，龍 林，辛皓天

YUE Min1 ,LONG Lin1 ,XIN Hao-tian2

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上海 200063）

0 引言

低壓電器通過外部信號和控制要求，手動或自動地接通和斷開電路，以實現(xiàn)對電路的控制、檢測、報警和保護等作用的元件或設(shè)備，其產(chǎn)品的性能和質(zhì)量直接影響著電力系統(tǒng)與工業(yè)自動化系統(tǒng)的可靠運行[1]。然而，目前國內(nèi)低壓電器的檢測系統(tǒng)普遍比較落后，國內(nèi)低壓電器壽命檢測裝置主要以氣動裝置為主的半自動檢測設(shè)備，因此試驗檢測速度、檢測力矩和旋轉(zhuǎn)角度皆不可調(diào)，容易損壞試品且試驗類型單一，而不能滿足試品的檢測需求且效率較低。但隨著新產(chǎn)品的不斷增加和對檢測要求的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的半自動化檢測方法顯然不能滿足檢測要求[2]。因此，設(shè)計并開發(fā)一種可用于低壓電器檢測的先進自動化檢測系統(tǒng)，不僅可以擴大試驗檢測的品種和規(guī)格，還能避免因人為操作而產(chǎn)生的隨機性，從而有效地提高產(chǎn)品檢測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性等。

本文將可編程邏輯控制器（PLC）、觸摸屏、電滑臺和伺服電機應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)開關(guān)操作機構(gòu)，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)各種尺寸的旋轉(zhuǎn)開關(guān)等的壽命試驗、通斷能力試驗等性能的檢測。在試驗之前，根據(jù)試驗要求通過觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面來設(shè)置各個試驗參數(shù)，如試驗次數(shù)、試驗方式、試驗速度、最大限制扭矩、通斷時間和自動定位信息等。同時，觸摸屏采用3D圖形化仿真實時再現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)執(zhí)行器的運行狀態(tài)，還可以監(jiān)視各個執(zhí)行器的詳細(xì)數(shù)據(jù)。該設(shè)備操作簡單，易于維護，且還具有防爆功能，防止因試品故障、爆炸而損壞自身部件及人身安全。

1 系統(tǒng)的組成及控制方式

旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、電滑臺定位裝置、終端檢測裝置和安裝背板等組成。旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)組成框圖

電滑臺定位裝置安裝在旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測平臺上，由X方向、Y方向和Z方向的電滑臺和導(dǎo)軌組成，各個電滑臺可任意移動，按照預(yù)先設(shè)定的定位參數(shù)實現(xiàn)三自由度的自動精確定位，精度可達(dá)0.05mm。

終端檢測裝置是由三套獨立的伺服電機、減速器和試驗夾具構(gòu)成，伺服電機具有位置、速度和力矩反饋，可通過設(shè)置電機最大轉(zhuǎn)矩限制來保護旋轉(zhuǎn)開關(guān)，同時還可以設(shè)置電機轉(zhuǎn)速來改變試品檢測速度。電機最大轉(zhuǎn)矩可在0～15N·M范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，檢測速度不超過1r/s。

安裝背板主要用來固定檢測試品，為了能夠?qū)Ω黝愋?、各尺寸的的旋轉(zhuǎn)開關(guān)進行檢測，采用可更換安裝背板設(shè)計。安裝背板通過螺栓連接安裝在旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測平臺上，因此安裝背板可以快速更換。試驗前，可根據(jù)試品的具體尺寸、形狀等來選擇安裝背板。旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)實物圖如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)實物圖

旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)具有三個檢測工位，每個工位都可以獨立運行。試驗前，被測試品需安裝在安裝背板的三個工位上，然后根據(jù)具體試驗要求，通過人機界面動作設(shè)置界面來任意選擇各個試品試驗工位和試驗?zāi)Ｊ剑ㄟ^電滑臺設(shè)置界面來設(shè)置電滑臺定位裝置的自動定位位置和旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋鈕的旋轉(zhuǎn)角度，通過電機設(shè)置界面來設(shè)置終端檢測裝置的旋轉(zhuǎn)角度、作用力矩和試驗檢測速度，可實現(xiàn)各種類型的通斷、分?jǐn)嗪碗妷勖囼灐z測時，PLC控制電滑臺定位裝置按照預(yù)先設(shè)定的自動定位位置信息移動，電滑臺定位裝置帶動終端檢測裝置移動到試品試驗工位。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的位置時，電滑臺定位裝置自動停下，隨后PLC再控制終端檢測裝置按照預(yù)先設(shè)定的試驗?zāi)Ｊ竭M行試驗，從而實現(xiàn)對各類旋轉(zhuǎn)開關(guān)試品的檢測，有效的提高了試品的檢測精度和檢測效率。

2 硬件設(shè)計與通信連接

2.1 硬件設(shè)計

PLC選用西門子S7-200系列的CPU 224XPsi，根據(jù)控制需要，旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)控制系統(tǒng)需要39個數(shù)字量輸入信號和22個數(shù)字量輸出信號，因此選用EM223模塊作為PLC的擴展數(shù)字量輸入/輸出的模塊，該模塊具有32點數(shù)字量輸入/輸出端口[3～5]。觸摸屏選用步科Kinco的MT4523T，界面支持文本和圖形顯示。伺服電機選用三菱HC-KFS13電機，伺服驅(qū)動器選用三菱MR-J2S-10A驅(qū)動器。伺服電機采用了分辨率為131072脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，因此其具有高精度控制的能力。電滑臺定位裝置選用SMC公司的LEFS32B系列電滑臺，電滑臺控制器選用SMC公司的LECA6N1D型控制器。

2.2 觸摸屏與PLC、電滑臺的連接

觸摸屏MT4523T有兩個RS-485通信接口，觸摸屏的COM0口接PLC的COM0接口，觸摸屏COM1口通過RS485總線連接至電滑臺驅(qū)動器的通信端口。觸摸屏作為主站，電滑臺驅(qū)動器作為從站，通過設(shè)置不同的站地址和指令來訪問各個電滑臺控制器的數(shù)據(jù)信息。通信配置原理圖如圖3所示。

圖3 通信配置原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)采用STEP7 Micro-Win開發(fā)，為了提高程序的執(zhí)行效率和可讀性，本系統(tǒng)采用模塊化編程，將各個功能模塊控制程序編寫成各個功能子程序。PLC程序主要包括主程序、復(fù)位子程序、試驗檢測子程序、自動定位子程序、手動調(diào)節(jié)子程序和故障報警子程序等。

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)自檢并初始化參數(shù)，點擊復(fù)位按鈕進入復(fù)位子程序，使電滑臺、伺服電機依次進行復(fù)位。然后通過觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)，并選擇試驗方式。點擊啟動按鈕后，進入自動定位子程序，然后手動微調(diào)使開關(guān)手柄進入終端執(zhí)行裝置的試驗夾具。再次點擊啟動按鈕后，系統(tǒng)開始進行試驗。試驗完成后，系統(tǒng)自動復(fù)位并記錄試驗數(shù)據(jù)。

程序中采用動態(tài)監(jiān)控和邏輯判斷的方法對檢測系統(tǒng)進行故障診斷，響應(yīng)各種類型的故障，暫停試驗并進行聲光報警。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 PLC控制電滑臺的方式

PLC通過數(shù)字量輸入輸出信號來控制電滑臺的定位運行，下面簡單介紹一下電滑臺的驅(qū)動方式[6]。

電滑臺上電后進入SVON伺服鎖緊狀態(tài)，運行前必須進行原點回歸動作。運行前，需要通過觸摸屏設(shè)置電滑臺的步信息，電滑臺驅(qū)動器可以存儲64個位置信息，通過驅(qū)動器的輸入端口IN0-IN5來獲取本次定位的位置信息。當(dāng)PLC輸出DRIVE后，電滑臺開始進入定位運行狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)位置后返回INP到位信號。電滑臺定位運行時序圖如圖5所示。

圖5 電滑臺定位運行時序圖

3.3 PLC控制伺服電機的方式

伺服電機伺服驅(qū)動器選用絕對位置系統(tǒng)控制模式，伺服電機編碼器既可以檢測電機在1轉(zhuǎn)內(nèi)的絕對位置信息，又對電機旋轉(zhuǎn)的周數(shù)進行計數(shù)，從而實現(xiàn)了對伺服電機絕對位置的控制。因此，不管旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)是否開啟，伺服電機絕對位置編碼器都能夠?qū)崟r檢測出電機的絕對位置，并通過電池供電的計數(shù)器存儲該數(shù)據(jù)。因此，試驗前必須進行原點復(fù)歸操作。

PLC的高速脈沖輸出端子分別連接到伺服驅(qū)動器的PP和PG兩端，通過發(fā)送不同數(shù)量和不同頻率的高速脈沖串來實現(xiàn)對伺服電機旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度的控制。最大轉(zhuǎn)矩限制通過PLC的模擬量輸出端口輸出模擬電壓連接到伺服放大器的TLA和LG兩端，伺服電機運行時會一直限制最大輸出轉(zhuǎn)矩。

4 人機界面設(shè)計

旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)人機界面采用步科觸摸屏EV5000組態(tài)軟件來設(shè)計，實時監(jiān)視并控制現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)、離線管理等管理功能。根據(jù)現(xiàn)場試驗需求，人機界面主要設(shè)計了系統(tǒng)登錄界面、監(jiān)控主界面、動作設(shè)置界面、狀態(tài)監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、系統(tǒng)設(shè)置界面、報警及故障處理界面等。

1）監(jiān)控主界面根據(jù)PLC各變量的變化驅(qū)動界面上相應(yīng)模塊狀態(tài)的變化，通過3D圖形化顯示定位機構(gòu)、電動執(zhí)行器等的運行狀態(tài)，實現(xiàn)了工作狀態(tài)的真實再現(xiàn)及動態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主界面

2）動作設(shè)置界面包括選擇檢測試品工位、試驗次數(shù)、通電時間、間隔時間和旋轉(zhuǎn)方式等參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)各種按鈕開關(guān)的檢測要求來設(shè)置相應(yīng)的動作參數(shù)，可實現(xiàn)各種類型的試驗，如機械和電氣壽命試驗、接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?、操作性能試驗和短路試驗等。動作設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 動作設(shè)置界面

3）狀態(tài)監(jiān)控界面主要的作用是監(jiān)控各個電滑臺和伺服電機的實時狀態(tài)，如當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度、作用力矩、操作速度、通電時間、試驗次數(shù)以及當(dāng)前次數(shù)等，這些數(shù)值隨著旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)的工作實時顯示。狀態(tài)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 電缸狀態(tài)監(jiān)控界面

4）參數(shù)設(shè)置界面由電滑臺參數(shù)設(shè)置界面和電缸參數(shù)設(shè)置界面組成。參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置試驗時的檢測速度和作用力等參數(shù)。

5）其他界面是檢測系統(tǒng)輔助界面。其中，系統(tǒng)登錄界面分二級權(quán)限登錄，各級用戶權(quán)限不同；系統(tǒng)設(shè)置界面可以設(shè)置觸摸屏顯示參數(shù)；報警及故障處理界面顯示歷史報警記錄等。

5 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，以觸摸屏為人機界面，通過3D圖形仿真實時再現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，使操作人員清楚的了解系統(tǒng)狀態(tài)，并實現(xiàn)了對各類旋轉(zhuǎn)開關(guān)的高速自動化檢測。旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)已經(jīng)投入實際試品檢測，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，旋轉(zhuǎn)操作機構(gòu)檢測系統(tǒng)運行良好、穩(wěn)定，人機界面操作簡單方便，通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，集成化、智能化程度高，而且具有很強的抗干擾能力。該系統(tǒng)大大提高了低壓電器開關(guān)檢測的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強度，達(dá)到了企業(yè)的預(yù)期效果。